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Derivate: dal rapporto incrementale alla tangente e alle applicazioni

Che cosa misura una derivata, come si calcola e quando non esiste: secanti, tangenti, regole, funzioni composte, estremi, esempi svolti ed esercizi con laboratorio animato.

Sezione: Analisi Aggiornato:

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Derivate: dalla secante alla tangente

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Derivate: dal rapporto incrementale alla tangente e alle applicazioni

35 min

Dopo i limiti affrontiamo una domanda nuova: quanto rapidamente cambia una quantità proprio in un certo istante o punto? La derivata nasce da un limite, ma diventa anche una funzione da studiare. Costruiamo il significato prima delle regole, poi colleghiamo calcoli, grafici e applicazioni.

Derivate: dalla secante alla tangente

Che cosa misura una derivata?

Se s(t) è una posizione in metri e t un tempo in secondi, [s(t+h)-s(t)]/h misura la velocità media nell’intervallo. Per conoscere la velocità istantanea facciamo tendere h a zero. Se una funzione descrive un costo in euro rispetto alla quantità prodotta, la derivata misura euro per unità di prodotto.

La derivata è un tasso di variazione locale: non è l’altezza del grafico. Una funzione può essere positiva ma decrescente, quindi avere derivata negativa. Le unità di misura sono quelle dell’uscita divise per quelle dell’ingresso.

Rapporto incrementale e retta secante

Fissiamo P=(a,f(a)) e un punto vicino Q=(a+h,f(a+h)), con h≠0. L’incremento orizzontale è h, quello verticale è f(a+h)-f(a). La pendenza della secante PQ è:

Q(h) = [f(a+h)-f(a)]/h

h può essere positivo o negativo. Non cambiare solo il segno del denominatore: per h negativo cambia anche il punto a+h. Il punto a e i punti vicini usati devono appartenere al dominio.

La derivata è un limite, non una divisione per zero

La derivata ordinaria in un punto interno a è il limite finito:

f′(a) = lim(h→0) [f(a+h)-f(a)]/h

Si calcola il quoziente per h≠0 e poi se ne studia il limite. Non si sostituisce h=0 ottenendo 0/0 come risultato. Per l’esistenza della derivata devono coincidere i limiti del rapporto incrementale da sinistra e da destra, ed essere finiti.

La scrittura f′(a) indica un numero, mentre f′(x) indica la funzione derivata. Le notazioni y′ e dy/dx si riferiscono allo stesso concetto; dy/dx non autorizza a trattare sempre i simboli come una frazione ordinaria.

Un calcolo completo dalla definizione: f(x)=x²

Si ha f(a+h)=(a+h)²=a²+2ah+h² e f(a)=a². Quindi:

Q(h)=[a²+2ah+h²-a²]/h=(2ah+h²)/h=2a+h, per h≠0.

Facendo h→0 otteniamo f′(a)=2a, cioè f′(x)=2x. In a=1 la derivata è 2; per h=0,1 il rapporto è 2,1, per h=-0,1 è 1,9. I due valori si avvicinano a 2 da lati opposti.

Per una costante c il numeratore è c-c=0: la derivata è 0. Per una retta mx+q, il rapporto incrementale è sempre m: la derivata è m.

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L’equazione della tangente e l’approssimazione locale

Se f è derivabile in a, la tangente passa per (a,f(a)) con pendenza f′(a):

y = f(a) + f′(a)(x-a)

Per x² in a=1: y=1+2(x-1)=2x-1. La secante ha invece pendenza Q(h), ancora dipendente da h. La tangente può attraversare il grafico: non è necessariamente una retta che lo tocca in un solo punto.

Per piccoli incrementi f(a+h)≈f(a)+f′(a)h. Per √x in a=4: √(4,04)≈2+(1/4)·0,04=2,01. È un’approssimazione, non un’uguaglianza esatta; la sola derivabilità garantisce un errore piccolo rispetto a h, non un generico errore nullo.

Derivabilità e continuità: un’implicazione sola

Se f è derivabile in a, allora è continua in a. Infatti, per h≠0, f(a+h)-f(a)=Q(h)·h; se Q(h) tende a un numero finito, il prodotto tende a 0.

Il contrario è falso. |x| è continua in zero ma i rapporti incrementali valgono -1 a sinistra e 1 a destra: non esiste una derivata unica. La continuità è necessaria, non sufficiente.

Se il punto manca, come x=1 per (x²-1)/(x-1), non possiamo nemmeno formare il rapporto incrementale con f(1): nessuna derivata della funzione originale in quel punto, benché altrove la derivata sia 1.

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Punti angolosi, cuspidi, tangenti verticali e bordi

  • |x| in zero: due pendenze laterali finite ma diverse, punto angoloso.
  • |x|^(2/3) in zero: rapporti verso -∞ a sinistra e +∞ a destra, cuspide con semitangenti verticali; nessuna derivata finita.
  • cbrt(x) in zero: rapporti verso +∞ nei due lati, tangente verticale x=0, ma nessuna derivata ordinaria finita.
  • √x in zero: il dominio consente solo il rapporto destro, che tende a +∞. È un comportamento unilaterale al bordo, non una derivata ordinaria bilatera.
  • Una funzione a salto non è continua nel punto: non può essere derivabile lì.

Il quoziente simmetrico [f(a+h)-f(a-h)]/(2h) non sostituisce la definizione: per |x| in zero vale sempre 0, ma la derivata non esiste.

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Le derivate fondamentali e i rispettivi domini

FunzioneDerivataCondizioni
c0c costante
xⁿnx^(n-1)Per n intero positivo, su ℝ
x^ααx^(α-1)Per α reale, certamente su x>0; altri casi richiedono il dominio appropriato
1/x-1/x²x≠0
√x1/(2√x)x>0
eˣeˣℝ
bˣbˣ ln bb>0, b≠1
ln x1/xx>0
log_b x1/(x ln b)x>0, b>0, b≠1
sin xcos xRadianti
cos x-sin xRadianti
tan x1/cos²xcos x≠0, radianti

La tabella non cancella le esclusioni della funzione iniziale. Per esempio (ln|x|)′=1/x vale per x≠0, mentre ln x non è definito per x negativi.

Somma, differenza e fattori costanti

Dove le funzioni coinvolte sono derivabili: (u+v)′=u′+v′, (u-v)′=u′-v′ e (cu)′=cu′, con c costante.

Esempio: f(x)=3x⁴-2x²+7x-5. Derivando termine per termine: f′(x)=12x³-4x+7. Il termine -5 scompare perché è costante; 7x dà 7, non 0.

Prima di applicare molte regole, semplifica quando è lecito: x·x=x². Conserva però il dominio originale se semplifichi una frazione.

Prodotto e quoziente: non si derivano pezzo per pezzo

(uv)′=u′v+uv′, non u′v′. Per x sin x: f′=1·sin x+x·cos x.

(u/v)′=(u′v-uv′)/v², con v≠0. Per (x²+1)/(x-1):

f′=[2x(x-1)-(x²+1)]/(x-1)²=(x²-2x-1)/(x-1)²=1-2/(x-1)², per x≠1. Attenzione all’ordine della sottrazione e al quadrato del denominatore.

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Funzioni composte: la regola della catena

Per f(x)=g(u(x)), si deriva l’esterna nel valore interno e si moltiplica per la derivata dell’interno:

f′(x)=g′(u(x))·u′(x)

Per (3x+1)⁴: esterna u⁴ → 4u³; interna 3x+1 → 3. Dunque f′=4(3x+1)³·3=12(3x+1)³. Per sin(x²) otteniamo 2x cos(x²); per ln(x²+1), 2x/(x²+1).

Le catene si combinano con prodotti e quozienti. Per x²e^(3x): f′=2xe^(3x)+3x²e^(3x). Omettere il fattore interno è uno degli errori più frequenti.

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Un passo oltre: derivazione implicita e logaritmica

Se x²+y²=25 descrive y localmente come funzione derivabile di x, deriviamo anche y con la catena: 2x+2y·y′=0, dunque y′=-x/y dove y≠0. Nei punti y=0 questa formula non dà una pendenza finita e serve un’analisi separata.

Per y=x^x, con x>0, prendiamo il logaritmo: ln y=x ln x. Derivando: y′/y=ln x+1, quindi y′=x^x(ln x+1). La regola delle potenze con esponente costante non basta quando anche l’esponente dipende da x.

Segno della derivata, estremi e ottimizzazione

Su un intervallo, f′>0 implica crescenza e f′<0 decrescenza. Non collegare intervalli separati da un punto escluso. I punti con f′=0 sono candidati, non automaticamente massimi o minimi: x³ è crescente anche attraversando lo zero.

Un passaggio da + a - indica un massimo locale; da - a + un minimo locale. Si controllano anche punti non derivabili e bordi inclusi. Per ottimizzare su un intervallo chiuso, confronta tutti i candidati con gli estremi dell’intervallo.

Esempio: rettangolo con perimetro 20. Se un lato è x, l’altro è 10-x; A(x)=x(10-x) per 0<x<10. A′=10-2x: positiva prima di 5 e negativa dopo. L’area massima è A(5)=25, ottenuta dal quadrato 5×5.

Derivata seconda: come cambia la pendenza

La derivata seconda f″ è la derivata di f′. Dove f″>0 la pendenza aumenta: concavità verso l’alto; dove f″<0 diminuisce: concavità verso il basso. Per una posizione s(t), s′ è velocità e s″ accelerazione: metri al secondo e metri al secondo quadrato.

Un flesso richiede un cambio effettivo di concavità in un punto del grafico. x⁴ ha f″=12x², nulla in zero ma positiva dai due lati: nessun flesso. x³ ha f″=6x, che cambia segno: flesso in zero.

Il test f′(a)=0 e f″(a)>0 dà un minimo locale; con f″(a)<0 un massimo, sotto le usuali ipotesi di regolarità. Se f″(a)=0 il test non conclude.

Grafico di una parabola e, sotto, grafico della sua derivata, con la stessa ascissa evidenziata.
Nel grafico di f leggiamo l’altezza; nel grafico di f′ leggiamo la pendenza di f alla stessa ascissa.

Rolle e Lagrange: collegare variazione media e istantanea

Rolle: se f è continua su [u,v], derivabile su (u,v) e f(u)=f(v), esiste almeno un c interno con f′(c)=0. Per f(x)=x² su [-1,1], c=0.

Lagrange: con continuità su [u,v] e derivabilità su (u,v), esiste c interno tale che f′(c)=[f(v)-f(u)]/(v-u). Una tangente è parallela alla secante degli estremi. Per x² su [0,2], la pendenza media è 2 e f′(1)=2.

Le ipotesi contano: |x| su [-1,1] ha estremi uguali ma non è derivabile in zero e non ha alcun punto con derivata zero. Non si può applicare Rolle ignorando il punto angoloso.

Ritornare ai limiti: de l’Hôpital, con prudenza

Per forme 0/0 o ∞/∞, sotto le ipotesi del teorema, si può studiare il rapporto delle derivate. In una versione usuale, f e g sono derivabili in un intorno bucato del punto, g′≠0, e il limite di f′/g′ esiste finito o infinito. Le altre condizioni di dominio e del quoziente vanno rispettate.

lim(x→0)(e^x-1)/x=lim(x→0)e^x/1=1, se la derivata dell’esponenziale è già stata stabilita indipendentemente. Non si deve usare una regola per dimostrare il limite da cui quella stessa regola è stata ricavata.

Non è la regola di derivazione di un quoziente: qui si confrontano limiti di rapporti, non si afferma (f/g)′=f′/g′. Le altre forme indeterminate richiedono prima una trasformazione; quando una semplice fattorizzazione basta, è spesso più chiara.

Derivazione simbolica e stima numerica non sono la stessa cosa

Una formula per f′ viene dalle regole e dalle loro condizioni. Una differenza finita usa un h piccolo ma non nullo: è una stima. Se h è troppo grande, il rapporto resta lontano dalla derivata; se è troppo piccolo, la sottrazione di valori quasi uguali perde cifre.

I casi guidati usano quando possibile rapporti equivalenti stabili: per x², Q(h)=2a+h; per eˣ, Q(h)=e^a·expm1(h)/h. Non cambiano il significato matematico. L’inserimento libero valuta la formula e segnala i limiti del calcolo, senza certificare automaticamente l’esistenza della derivata.

Una formula derivata non valutabile in un punto non è da sola una prova di non derivabilità: può richiedere una semplificazione o uno studio del rapporto incrementale. Anche un grafico è un campionamento, non una dimostrazione.

Come esplorare il laboratorio

Scegli uno dei diciassette casi o inserisci una funzione. Il punto a è modificabile anche nei casi guidati; il selettore permette h positivo, negativo o entrambi. Il cursore riduce |h| da 1 a 10⁻⁶. Avvia, Pausa e Un passo fanno vedere la convergenza delle secanti.

Nel primo grafico confronta f, le secanti e la tangente quando giustificata; il secondo mostra f′, eventualmente f″. Attiva lo zoom vicino al punto e confronta i rapporti nelle tabelle, compreso quello simmetrico. Nei casi non regolari la spiegazione distingue chiaramente le diverse situazioni.

Le formule a tratti dei casi guidati sono predisposte. L’inserimento libero usa espressioni in x, radianti e decimali con punto. Le conclusioni generali si giustificano con il ragionamento: non con pochi numeri dello schermo.

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Sedici esercizi con soluzione da aprire dopo il tentativo

1. x^2

Trova la derivata in 2 dalla definizione e la tangente.

Mostra la soluzione ragionata

Q(h)=4+h→4. Il punto è (2,4), quindi y=4+4(x-2)=4x-4.

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2. 3*x^4-2*x^2+7*x-5

Deriva termine per termine.

Mostra la soluzione ragionata

f′=12x³-4x+7. In zero la pendenza è 7 e f(0)=-5: tangente y=-5+7x.

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3. x*sin(x)

Applica la regola del prodotto.

Mostra la soluzione ragionata

f′=sin x+x cos x. In zero f′=0 e f=0: tangente orizzontale y=0.

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4. (x^2+1)/(x-1)

Deriva il quoziente conservando il dominio.

Mostra la soluzione ragionata

f′=[2x(x-1)-(x²+1)]/(x-1)²=1-2/(x-1)², x≠1. In zero f=-1 e f′=-1: y=-1-x.

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5. (3*x+1)^4

Individua funzione esterna e interna.

Mostra la soluzione ragionata

Esterna u⁴, interna 3x+1: f′=4(3x+1)³·3=12(3x+1)³. In zero la pendenza è 12.

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6. ln(x^2+1)

Usa la catena per il logaritmo.

Mostra la soluzione ragionata

L’argomento è sempre positivo. f′=2x/(x²+1); in 1 vale 1. La tangente è y=ln 2+(x-1).

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7. sqrt(1+x^2)

Deriva la radice composta.

Mostra la soluzione ragionata

f′=[1/(2√(1+x²))]·2x=x/√(1+x²). In zero la pendenza è 0 e f=1: y=1.

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8. x^2*exp(3*x)

Combina prodotto e catena.

Mostra la soluzione ragionata

f′=2xe^(3x)+3x²e^(3x)=e^(3x)(2x+3x²). In 1 vale 5e³.

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9. abs(x)

Il quoziente simmetrico zero prova la derivabilità?

Mostra la soluzione ragionata

No. I rapporti sinistro e destro sono -1 e 1, quindi la derivata non esiste. Il quoziente simmetrico è 0 ma non è il limite richiesto dalla definizione.

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10. cbrt(x)

Descrivi la pendenza in zero.

Mostra la soluzione ragionata

Q(h)=cbrt(h)/h=1/|h|^(2/3)→+∞ dai due lati. Tangente verticale x=0, nessuna derivata ordinaria finita.

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11. sqrt(x)

Perché il bordo del dominio richiede attenzione?

Mostra la soluzione ragionata

Non esistono campioni reali a sinistra di zero. A destra Q(h)=1/√h→+∞. È un comportamento unilaterale al bordo, non una derivata bilatera finita.

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12. x^3

Una derivata nulla implica un massimo o un minimo?

Mostra la soluzione ragionata

No. f′=3x²≥0 e la funzione è crescente attraversando zero. f″=6x cambia segno: zero è un flesso a tangente orizzontale.

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13. x^4

Applica il test della seconda derivata in zero.

Mostra la soluzione ragionata

f′(0)=0 e f″(0)=0: il test non conclude. Studiando f′=4x³ si trova un minimo; f″=12x² non cambia segno, dunque nessun flesso.

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14. x*(10-x)

Massimizza l’area del rettangolo con perimetro 20.

Mostra la soluzione ragionata

Per 0<x<10, A′=10-2x cambia da positiva a negativa in 5. A(5)=25 è il massimo: i lati sono 5 e 5.

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15. x^x

Deriva usando il logaritmo, per x>0.

Mostra la soluzione ragionata

Da ln y=x ln x segue y′/y=ln x+1. Quindi y′=x^x(ln x+1); in 1 vale 1.

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16. x^2

Trova il punto di Lagrange per x² su [0,2].

Mostra la soluzione ragionata

La funzione è continua su [0,2] e derivabile su (0,2). La pendenza media è (4-0)/(2-0)=2. Risolvendo 2c=2 otteniamo c=1, interno all’intervallo.

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Riferimenti per approfondire

Derivate: dalla secante alla tangente